Роден е в село Листвянка, Кемеровска област, РСФСР, СССР на 30 май 1934 г.
След края на Втората световна война заедно със семейството си се премества в Калининград. Завършва средно училище през 1953 година.
Избран е за член на първия отряд на космонавтите на СССР през 1960 г. Влиза (1967) в групата съветски космонавти, готвещи се за полет към Луната. В периода 1970 – 1991 г. е заместник-началник на Центъра за подготовка на космонавти.
Има 4 изобретения и повече от 10 научни труда. Получил е признание като художник, включително на пощенски марки, негови творби се излагат в изложби и се публикуват.
Излиза в пенсия през 1991 година, живее в Москва. Умира на 11 октомври 2019 г. на 85-годишна възраст.
В негова чест е наречен кратер Леонов на Луната.